이은경
(Eun-Kyung Lee)
1
김진영
(Jin-Young Kim)
2
백호진
(Ho-Jin Baek)
3
이강석
(Kang-Seok Lee)
4†
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정회원,한양대학교 대학원 스마트시티공학과 박사과정
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정회원,한양대학교 대학원 건축시스템공학과 박사과정
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정회원,한양대학교 대학원 건축공학과 박사과정
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정회원,한양대학교 건축학부 및 스마트시티공학과 교수
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
키워드
유사동적실험, 내진성능평가, 철근콘크리트, 합성내진보강, 내력증진법
Key words
Pseudo-dynamic, Seismic capacity evaluation, Reinforced concrete, Composite seismic strengthening, Strength increasing method
1. 서 론
최근 기후변화 등에 따른 세계 여러 나라, 특히 2023년 튀르키예-시리아지진을 포함한 대형 지진이 발생하고 있으며, 각종 건축물 지진피해 및 이에
따른 인명피해가 급증하고 있다. 우리나라 인접 국가인 일본, 중국, 대만에서도 대규모 지진발생에 의해서 지진피해가 증가하고 있으며, 이에 따라 우리나라도
지진의 직간접적인 영향권에 있음이 확인되었다.
주지의 사실과 같이, 2016년 경주 및 2017년 포항에서 발생한 지진은 우리나라에 있는 각종 시설물 특히 건축물의 내진안전성에 심각한 위기를 나타내었으며,
우리나라도 대형 지진이 발생할 가능성이 매우 크며, 이에 따른 국가적인 재난이 발생 할 수 있다는 사실을 절실하게 보여주었다. 2016년 경주지진
시 진앙지 주변에 위치하는 학교 및 공동주택을 포함한 일부 건축물의 기둥을 포함한 비구조재 등의 지진피해를 제외한 건축물의 지진피해 규모는 크지 않았다.
하지만 2017년 포항지진에서는 Fig. 1에 나타낸 것처럼, 내진설계가 되어 있지 않은 학교시설 및 새롭게 신축된 필로티 등에 심각한 지진피해가 발생하였다(AIK, 2018). 그 가운데에서도 전단철근이 부족한 철근콘크리트(이하, R/C) 기둥의 전단파괴는 우리나라 내진안전대책을 위한 중요한 과제로 부각되었다.
따라서 최근 우리나라에서 발생하는 지진크기와 빈발도가 증가하고 있는 시점에서 대형 지진 발생 시 건축물의 파괴로 인한 물적 및 인적 피해를 최대한
줄이기 위해서는 우리나라 내진취약에 대한 예상건축물, 특히 기둥의 전단붕괴가 발생 할 가능성이 매우 큰 내진상세를 가지지 않는 R/C 건축물의 내진안전성을
보장 할 수 있는 경제적이며, 효과적인 내진보강법 개발은 매우 중요하다고 판단한다. 또한 예상되는 지진규모 및 피해에 따른 내진보강 실시에는 효율적이면서
경제적인 공법에 의하여 이루어져야 한다는 것은 기지의 사실이다.
한편, 비내진상세를 가지는 R/C 건축물의 대표적인 재래적인 내진보강공법으로는 철판보강법, 와이어메쉬 삽입보강법, R/C 벽체신설법, 단면증설법,
철골브레이스공법 등 기둥의 연성능력증진법 및 골조의 내력증진형 공법이 주를 이루고 있다(FEMA-356, 2000; JBDPA, 2017; SSRG, 2008). Lee and Jung(2018)의 연구결과에 의하면 우리나라 내진상세를 가지지 않는 중ㆍ저층 R/C 건축물의 대부분은 기둥 의 수평보강근의 간격이 약 30 cm이상으로서, 전단붕괴가
일어날 가능성이 높으며, 전단내력도 부족하여 연성능력을 증진시키는 단독적인 내진보강법을 이용한 공법은 효율적이지 못하며, 내진안전성 확보에는 내력증진법이
보다 효율적이며, 경제적인 측면에서도 유리하다고 기술하고 있다.
하지만 내력를 증가시키는 재래 내진보강공법은 주로 건물골조의 내부에 전단벽을 증설하여 끼우는 방법, 여러 가지 형태의 철골브레이스를 설치하는 방법,
단면을 증설 및 타설하는 공법 등이 주류로서, 건물의 중량을 증가시키며, 특히 비내진상세를 가지는 우리나라 R/C 건축물과 같이 기초가 연약한 건물은
중량증가에 따른 기초보강이 필요할 가능성이 높다. 또한 내진보강 시 작업 공간 확보가 어렵고, 이용 공간이 제한되며, 가장 많이 이용되고 있는 공법가운데
하나인 내진벽체 신설법 및 철골브레이스 공법은 보강자재 운반 및 넓은 작업공간 요구에 따른 건물 내부에서 부가적인 공사범위가 확대되어 보강공사 기간
중에 건물을 사용할 수 없는 공간이 커질 수 있다. 또한, 내진보강 작업을 할 경우에는 공간확보에 어려움이 발생하는 경우가 있어 이용공간이 제한되어
효율성이 떨어지며, 기존 골조와의 내부접합부의 일체성 확보문제 및 시공 정확성이 요구되는 등 내진보강 공사기간이 장기화 될 가능성이 높다(SSRG, 2008). 따라서 상기의 단점들을 보완하여 극복할 수 있는 국내 중·저층 R/C 건축물이 가지는 구조적인 특성(전단붕괴형 기둥, 낮은 수평내력)에 적절하고,
기존 구조부재와의 일체성을 포함한 시공성이 우수한 새로운 타입의 내력증가형 보강법 개발이 절실하다고 사료된다.
본 연구에서는 기존 내력증진형 내진보강법의 취약점을 개선 및 보완할 수 있는 새로운 개념의 내진보강법인 내부접합형 합성내진보강공법(Composite
Seismic Strengthening Method, 이하 CSSM)을 제안하였다. 내부접합형 CSSM 내진보강공법은 콘크리트와 강관의 장점을 최대로
활용한 공법으로서, 기존 R/C 골조와 보강재 접합부의 시공성 및 일체성을 혁신적으로 향상시켰다. 본 공법은 필요 내진보강량 산정이 간편한 전형적인
내력증가형 보강법의 일종으로서, 우리나라 비내진상세를 가지는 전단붕괴형 R/C 건축물의 수평내력을 손쉽게 향상 시킬 수 있다.
본 연구에서는 기존 비내진상세를 가지는 R/C 건축물을 바탕으로 한 실물 2층 골조 실험체를 대상으로 유사동적실험을 실시하여, 내부접합형 CSSM공법의
내진보강효과, 즉 복원력 특성, 지진에 대한 하중-변위관계, 지진피해정도, 강도증진 효과, 지진변위 제어능력을 중심으로 검토하였다.
Fig. 1 Shear damage of R/C columns in the 2017 Pohang Earthquake
2. 내부접합형 CSSM 내진보강공법의 개요
기존 건축물의 재래적인 내력증가형 내진보강공법으로 널리 사용된 시스템은 전단벽 및 브레이스이며, 전단벽 및 브레이스는 높은 수평강성으로 인해 지진하중의
대부분이 집중되어 보강효과는 매우 크지만, 횡력집중으로 인한 기초 보강이 필요한 경우가 발생할 가능성이 매우 크다. 또한 개구부가 있는 위치에 설치되어
창문을 가리거나 외관에 변화가 발생하는 문제점도 존재한다.
본 연구에서 제안한 내부접합형 CSSM 내진보강법은 Fig. 2에 나타낸 것처럼 기존 R/C 구조체에 프레임형태로 직접 접합하여 내력을 증가시키는 공법으로서 시공성이 우수하며, 특히 위에서 기술한 기존 내력증가형
내진보강법이 가지는 단점, 즉 과도한 횡강성 및 개구부 가림 문제를 보완 및 개선한 것이다. CSSM 내진보강공법의 구성은 보강부, 접합부, 충진부
3가지로 구분되며 보강부는 (A) 기존 R/C 구조체, (B) CFT 프레임으로 구성되며, 접합부는 (C) 캐미컬 앵커 및 (D) 에폭시로 구성되고,
충진부는 (E) 고성능 모르타르로 구성된다.
CSSM 공법의 접합상세는 (A) 기존 R/C 구조체 (기둥 및 보)에 (B) CFT 접합 프레임을 (C) 캐미컬 앵커 및 (D) 애폭시 수지를 사용하여
접합하여 기존 구조체와 내진보강재를 일체화하는 것이 주요한 특징이다. Table 1에 나타낸 시공순서는 다음과 같다.
(1) 기존 구조체 (기둥 및 보)에 앵커볼트 정착을 위한 천공 실시.
(2) 내진보강용 CFT 프레임의 위치 고정.
(3) 케미컬 앵커 및 에폭시 수지를 이용한 CFT 프레임의 설치.
(4) 고성능모르타르 주입 및 마감하여 시공완료.
Table 1 Construction sequence of Internal CSSM system
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Sequence
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Construction procedure
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(Step-1)
Boring of connection anchoring halls
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(Step-2)
Fixing of CFT frame position
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(Step-3)
Installing of CFT frame by using chemical anchor and epoxy
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(Step-4)
Injection of high performance mortar and finishing
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Fig. 2 Joint detail of Internal CSSM system
3. 실험개요
3.1 사용재료의 특성
유사동적 실험체의 설계용 콘크리트강도는 21 MPa이며, 3개 공시체의 평균강도를 활용하여 검토하였다. 표준공시체 보정값은 계측된 압축강도의 97
%로서 28일 평균 콘크리트강도는 21.6 MPa이다. 실험체에 이용한 철근은 1종 SD400이며, R/C 기둥 주근은 D19 및 D16, 전단근(Hoop)은
D10을 사용하였다. 철근의 재료 특성을 조사하기 위하여 KS B 0801 (2017)의 ‘라’ 호 규정에 의해서 인장 철근시험편을 각각 3개씩 제작하여 UTM (Universal Testing Machine)을 이용하여 가력속도 5
mm/min로 인장 재료시험을 실시하였다. 시험결과 철근의 항복강도와 인장 강도는 D19, D16의 경우 평균값이 495 MPa, 745 MPa로,
D10의 경우 평균값이 472 MPa, 702 MPa로 조사되었다.
3.2 실험체 개요
내부접합용 CSSM 내진보강법의 내진보강효과를 검증 할 목적으로 Fig. 3에 나타낸 내진상세를 가지지 않는 1980년대 우리나라 기존 3층 R/C 학교시설의 골조를 선택하였으며, 건물 층고는 3.3 m, 설계 콘크리트 강도는
21 MPa이다(MOE, 2011). 유사동적실험의 대상은 선정한 1980년대 R/C 학교의 외부프레임 내부 1스팬 2층 골조로써, 실물크기이다. 실험대상 골조의 보는 KDS 41(2019)에 근거하여 슬래브 유효폭을 고려한 T-형보로 제작하였다. Table 2에는 실험체의 변수를 나타낸다.
Fig. 4에는 대상건물 기존 R/C 골조의 배근상세를 나타낸다. 유사동적실험에서는 Fig. 5에 나타내는 것처럼 CSSM 내진보강공법으로 보강한 골조실험체 1개 및 CSSM 내진보강골조와의 비교를 위하여 비보강 골조 실험체 1개 총 2개의
골조 실험체를 제작하여 실험을 수행하였다.
유사동적실험 시 이용한 입력지진동은 6층 미만의 R/C 건축물을 이용하여 선정한 10개의 역사지진파의 지진응답 연성율에 대한 Lee(2010)의 연구결과 기반 가장 높은 지진응답 연성율을 보여준 Hachinohe (EW)를 설정하였다. 지진가속도는 Hachinohe (EW) 지진가속도를
200 cm/s2, 300 cm/s2 및 400 cm/s2의 크기로 표준화하였다. 200 cm/s2 및 300 cm/s2는 KDS 41(2019)에서 규정한 2400년 재현주기 지진의 2/3수준의 지진구역-1, 지반종류 S4에 대응하는 지진파 규모이다. 또한 400 cm/s2의 지진파는 규모가 큰 지진발생 시의 CSSM 내진보강시스템의 내진성능에 대한 효과도 평가할 목적으로 선정하였다. 이것은 2400년 재현주기 지진에
상응한다. 축력은 실제 기둥 2개(골조)에 가해지는 축하중, 즉 1000 kN을 배분하여 각각 기둥에 500 kN의 일정한 축하중을 가력 하였다.
Fig. 3 Planar views of the investigated R/C school building and a frame selected for the pseudo-dynamic testing
Fig. 4 Detail of the control specimen
Fig. 5 Detailed configuration of the specimens
Table 2 Summary of specimens
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Specimens
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Test methods
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Strengthening types
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Earthquake levels (cm/s2)
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PD-FR
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Pseudo-dynamic
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-
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200
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PD-CSSM-I
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Pseudo-dynamic
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CSSM
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200/300/400
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Notation
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PD
(1)
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FR
(2)
CSSM-I
(3)
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1. PD: Pseudo-dynamic test
2. FR: R/C frame without strengthening
3. CSSM-I: R/C frame strengthened with Internal CSSM method
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3.3 CSSM 내진보강공법의 접합부 설계
CSSM 보강시스템을 위한 접합부의 유형, 매립 깊이 및 앵커 간격은 JBDPA(2017) 에서 제공한 앵커식을 기반으로 수행되었다. 한편, 접합부 설계는 기존 R/C골조와 보강골조의 일체거동 및 안전성 확보를 위하여 단일 앵커 극한강도의
40%만을 고려하여 실시하였다. CSSM 접합 방법에 대한 앵커 설계 결과는 Table 3과 같으며, Fig. 5(b)의 CSSM 보강공법을 적용하여 보강한 유사동적 실험체는 Table 3의 접합부 설계를 기반으로 제작하였다.
접합부 연결 앵커의 직경(D)은 16 mm, 간격은 300 mm로 이중으로 배열하였다. 각 보와 기둥에는 각각 총 20개와 18개의 앵커가 사용되었으며,
접합부의 강도는 보강프레임의 횡방향 내력보다 LB (Beam length)의 경우 약 2.0배, LC (Column length)의 경우 약 2.2배
높게 나타났다. 본 연구에서 제안된 CSSM 내진보강법은 기존 R/C 골조에 적용되었을 경우 일체 거동하여 지진하중에 저항할 수 있을 것으로 판단된다.
Table 3 Results of anchor design for CSSM joint
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Members
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Member length
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Nc
|
ΣPd
(kN)
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Σfanchore
(kN)
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Safety factor
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Beam
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LBa
|
20
|
257.1
|
523.2
|
2.0
|
|
Columns
|
LCb
|
18
|
216.5
|
470.9
|
2.2
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a LB: Beam length
b LC: Column length
c N: Number of anchors
d ΣP: The lateral load capacity of a frame
e Σfanchor: Shear capacity of installed anchors
4. 유사동적실험 시스템 및 실험결과
4.1 유사동적실험의 개요
건물의 지진에 대한 비선형응답을 조사하기 위해서 이용되는 실험법은 진동대실험(Shaking table test), 반복가력실험(Cycling loadingc
test)을 포함한 유사동적실험(Pseudo- dynamic test)으로 크게 구분 가능하다(Umemura, 1973). 진동대 실험은 건물의 지진에 대한 응답을 평가하기 위한 매우 효율적인 기법이지만, 진동대의 사이즈와 용량에 따라서 구조실험체의 크기와 중량에 제한이
있기 때문에 대부분 실험체를 축소한 모형을 사용하고 있다. 축소에 의해서 실재 건물과 상사성 문제가 발생하게 된다. 결과적으로 축소 제한조건 때문에
실재 건물의 비선형 구조거동을 평가하기 위해 하중 및 변위로 제어하는 반복가력실험이 사용되고 있다.
유사동적실험은 반복가력 및 진동대 실험의 장점을 융합시켜 제안하였다(Takanashi et al., 1980). 유사동적실험은 구조실험과 수치적분 기반 동적해석이 서로 결합되어 구조실험이 이루어지는 융합 실험법이다. Fig. 6에 나타낸 것과 같이 유사동적실험은 컴퓨터에 의한 수치적 계산 부분과 구조실험에 의한 실험체의 가력부분으로 되어 있으며, 수치계산(컴퓨터)은 가력에
의해서 구조실험체에 측정 된 변위에 대한 구조실험체의 지진응답값, 입력한 지진가속도 및 현재 단계에서의 지진응답값을 기반으로 수치적분법을 활용하여
운동방정식을 계산하여, 다음 단계에서의 지진응답에 대한 변위량를 계산한다.
계산된 지진응답변위를 액츄에이터(Actuator)를 이용해서 구조실험체에 가력하며 가력에 의한 변위를 측정한다. 위와 같은 처리를 반복하는 것에 의해서
구조실험체에 유사적인 지진에 대한 응답변위를 가력함과 동시에 컴퓨터를 이용해서 지진응답(변위, 속도, 가속도)을 계산하여 대상으로 하는 건물 실험체의
내진성능을 평가한다.
유사동적실험에서는 건물에 가력될 지진에 대한 변위값이 실험 중에 수치적분에 의한 해석적 방법으로 결정된다는 점을 제외를 한다면 반복가력실험과 유사하며,
통상적으로 비선형동적해석에 의한 지진에 대한 응답량 산정 시에는 건축물의 복원력특성을 가정해야 하지만, 유사동적실험에서는 복원력을 구조실험체로부터
직접 측정하여 획득함으로서 실제의 지진응답 특성과 매우 유사한 효과를 낼 수가 있다.
Fig. 6 System of pseudo-dynamic testing established in this research
4.2 유사동적 실험시스템
Fig. 6에는 본 연구에서 구축한 CSSM 공법의 내진성능 평가를 위한 유사동적 실험시스템의 방법 및 유사동적 실험체 셋팅을 나타낸다.
본 연구의 유사동적실험은 Fig. 6에 나타낸바 이질점계 (Two-degree-of-freedom)로서 모델링 가능하며, 제어용 컴퓨터에 의한 입력지진파에 따른 수치해석 부분과 구조실험체의
가력부분으로 이루어져 있다. 유사동적 실험 시 산정 된 지진응답변위는 횡방향의 두 개의 엑츄에이터를 이용하여 실험체에 가력된다. 골조 실재의 복원력은
구조실험 시 기계적으로 측정 되며, 이것은 지진응답 변위를 산정하기 위한 제어용 컴퓨터에서 활용한다.
데이터변환은 아날로그 및 디지털 변환기(Analog to digital or digital to analog converter], TSKC, 2023)를 활용하여 이루어지며, 유사동적실험에서 지진에 대한 응답값은 폐회로 제어시스템(Closed-loop control system)에 의해서 수치적으로
산정 된다. 제어컴퓨터에 의한 수치적분에 의한 해석은 MTS에서 개발한 Pseudo-dynamic Testing Program (MTS, 2020)을 활용하였다. 가력 실험은 변위계측계(LVDT)에 의하여 측정 된 변위에 대한 골조실험체의 복원력, 입력한 지진가속도를 포함한 현재 단계에서의 지진
응답값에 근거하여 수치적분법을 활용하여 다음 단계의 지진응답을 식 (1)에 나타낸 운동방정식(Equation of motion, EOM)에 의해서 산정한다.
여기서, $M$, $C$ 및 $K$: 골조시스템의 질량행렬, 감쇠행렬 및 강성행렬, $y$: 기초부분에 대한 각 층 질량의 상대변위에 대한 벡터,
$r$: 복원력 벡터, $\ddot{y_{0}}$: 입력지진파(가속도).
EOM의 수치적분법에 사용한 방법은 Hilber, Hughes and Taylor(1977)에 의해서 제안한 $\alpha$법을 활용하였으며, 유사동적실험의 수치적분법의 알고리즘은 다음식과 같다.
여기서, $y_{i}$, $v_{i}$, 및 $a_{i}:i\Delta t$ 와 동일한 시간에 대한 절점변위, 절점속도 및 절점가속도, $\Delta
t$는 적분법의 시간간격, $r_{i}$: 절점의 복원력 벡터, $f_{i}$: 지진하중 벡터($-M\ddot{y_{0}}$).
탄성 건축구조물에서는 $r_{i}=Ky_{i}$ ($K$: 탄성강성행렬)이며, $\alpha ,\: \beta$ 및 $\gamma$는 알고리즘 수치적분의
안정성을 확인하는 변수이다. $-5\le\alpha\le 0$, $\beta =\dfrac{(1-\alpha)^{2}}{4}$ 및 $\gamma =\dfrac{1}{2}-\alpha$이면
무조건 안정이다. 다음 단계의 지진에 대한 응답변위는 건축구조물의 강성 ($K$ ), 질량 ($M$ ), 강성비례형 감쇠계수 ($C$ )에 근거해서
식 (1) - (4)에 의해서 산정된다. 감쇠율 ($\xi$)은 임계감쇠의 3%, 즉 $\xi$=0.03으로 설정하였다.
한편 지진에 대한 변위값은 1층과 2층에 설치된 1000 kN 액추에이터를 활용하여 구조실험체에 가력하며, 지진응답 변위값 계산을 위하여 이용한 수평방향
변위값은 각 층에 설치된 300 mm 변위계측계(LVDT)를 통하여 측정된다(Fig. 6 참조).
축하중에 대해서는 3.2절에 기술한 것처럼 실제 기둥 2개(골조)에 가해지는 축하중, 즉 1000 kN을 배분하여 각각 기둥에 500 kN의 일정한
축하중을 유사동적실험체 양 중간부분에 셋팅된 1000 kN 오일잭을 활용하여 가력하였다. 또한 입력지진동은 역사지진파 가운데 응답연성율이 가장 탁월한
Hachinohe (EW)를 선택하였으며, 지진동(가속도)의 크기는 200 cm/s2, 300 cm/s2 및 400 cm/s2으로 표준화하여 본 연구에서 구축한 유사동적 실험시스템을 활용하여 구조실험을 수행하였다.
4.3 유사동적실험의 결과 및 분석
Table 2에 나타낸 무보강 유사동적 실험체 및 CSSM 내진보강공법에 의해 보강한 유사동적 실험체 총 2개에 대한 균열을 포함한 파괴 상황을 실험체 별로 정리하였으며,
복원력, 즉 하중과 변위 관계곡선, 지진응답변위와 시간이력곡선, 최대지진응답 하중 및 변위를 조사하여 무보강 실험체 대비 내부접합형 CSSM 보강실험체(PD-CSSM-I)의
내진성능을 평가하였다.
4.3.1 균열 및 파괴양상
1) 무보강 PD-FR 실험체
무보강 PD-FR 유사동적 실험체는 200 cm/s2의 지진파에서 약 1.34초(변위: 2.51 mm) 정도에서 하단 기둥부에서 초기 미세한 휨균열이 관찰되었다. 이후 2.93초, 변위 45.6 mm부터는
휨균열이 확장되었으며, 상부 및 하부 기둥부에서 전단균열이 관찰 되었으며, 3.46초(변위: 66.1 mm)에서 최대변위를 나타내었으며, 5.32초(변위:
65.8 mm) 에서는 콘크리트가 심각하게 박리되기 시작하였으며, 전단균열의 폭도 심각하게 증대하였다. 최종적으로 Fig. 7에 나타낸 것처럼, 1층 골조 하단부에서 전단파괴가 발생하여 최종 붕괴상황을 보였다.
이는 대상건물인 내진상세를 가지지 않는 R/C 학교건물은 200 cm/s2의 지진동에서 심각한 지진피해가 나타날 가능성이 매우 높다는 기존에 수행 된 연구(Lee and Jung, 2018)와 유사한 결과를 보여주며, 내진설계가 이루어지지 않은 R/C 건물의 내진안전성 확보, 즉 내진보강이 절실히 필요하다는 중요한 자료라고 사료된다.
Fig. 7 Test result of PD-FR specimen (200 cm/s2, final)
2) PD-CSSM-I (CSSM 내부접합 내진보강 실험체)
Fig. 8에는 본 연구에서 제안한 CSSM 내부접합 시스템으로 내진보강 한 실험체인 PD-CSSM-I의 200 cm/s2 지진파에 대한 최종단계(10초)를 나타낸다. 약 2.25초(변위: 4.11 mm)에서 하단 기둥부에 초기 경미한 휨균열이 관찰되었으며, 3.07초(변위:
6.8 mm) 이후에는 휨균열의 개수가 늘어났으나, 균열의 정도는 경미하였다. 최대지진응답을 나타낸 4.14초(변위: 10.5 mm) 이후는 휨균열의
개수는 점차적으로 증가하였지만, 균열폭은 미세하였다. 최종적으로 경미한 수준의 피해가 발생하였다.
한편, 300 cm/s2의 지진파에서는 Fig. 9에 보여준 것과 같이 최대지진응답을 보여준 6.22초(변위: 20.0 mm)에서 소수의 휨균열이 부가적으로 관찰되었다. 이후에는 균열의 크기만 약간
증가하였으나, 그 정도는 미비하였다. 최종적으로 Fig. 8에 나타낸 무보강 PD-FR 실험체(전단파괴)와는 상반되는 소규모 정도의 균열이 발생하였다.
Fig. 10에는 내부접합 CSSM 시스템으로 내진보강 한 실험체의 KDS 41(2019) 기준에 근거하여 대지진을 산정한 400 cm/s2의 입력지진동에 대한 최종단계(10초)의 실험결과를 나타낸다.
최대 변위응답을 나다낸 3.6초(변위: 35.2 mm)에서 휨균열 및 전단균열의 발생정도가 위에서 기술한 300 cm/s2의 상황보다는 크며, 균열폭 또한 증대하였다. 하지만 균열의 크기는 1.0 mm이하로 억제되어 기존 비내진 상세를 가지는 우리나라 R/C 학교시설을
대상으로 내부접합형 CSSM 내진보강법으로 보강한 실험체인 PD-CSSM-I는 400 cm/s2의 지진동에서 중규모 정도의 균열이 발생하였다고 판단한다.
Fig. 8 Test result of PD-CSSM-I specimen (200 cm/s2)
Fig. 9 Test result of PD-CSSM-I specimen (300 cm/s2)
Fig. 10 Test result of PD-CSSM-I specimen (400 cm/s2)
4.3.2 최대 지진응답 하중 및 변위
Table 4에는 지진파 200 cm/s2의 비교용 실험체(PD-FR), 지진파 200 cm/s2, 300 cm/s2, 400 cm/s2의 PD-CSSM-I 보강실험체에 대한 유사동적 지진응답 최대하중 및 최대변위에 대한 결과를 파괴모드 및 지진피해정도와 각각 비교하여 나타내었다.
무보강 비교실험체(PD-FR)의 실험 결과에 의하면 지진파 200 cm/s2에 대해서 최대 밑면전단력 257.1 kN 및 최대변위 64.6 mm의 지진응답량을 보여주었으며, 지진피해 정도는 JBDPA (2015) 및 Maeda et al.(2004)에 기술한 연구에 의하면 붕괴수준의 지진피해가 발생하였다고 예상된다.
한편, 내부접합 PD-CSSM-I 실험체에 대한 200 cm/s2 지진파 에서는 최대 밑면전단력이 488.6 kN 및 최대변위가 10.6 mm를 보여주었다. 300 cm/s2 지진파에 대해서는 최대 밑면전단력이 708.1 kN 및 최대변위가 20.4 mm이며, 400 cm/s2 지진파에서는 최대 밑면전단력이 864.9 kN 및 최대변위가 35.2 mm를 보여주었다. JBDPA(2015) 및 Maeda et al.(2004)에 기술한 연구에 의하면 지진피해정도는 CSSM 내진시스템으로 보강 한 R/C 골조실험체는 200 cm/s2의 입력지진동에서는 경미한 정도, 300 cm/s2 입력지진동에서는 소규모 정도, 400 cm/s2의 입력지진동에 대해서는 중규모 수준의 지진피해가 예상되어, 본 연구에서 개발한 내부접합형 CSSM 보강시스템 의 내진보강 효과는 우수하다고 판단한다.
Table 4 Comparisons of maximum base shear force, story drift and earthquake damage degree with failure type
|
Speci-
mens
|
EQ
levels
(cm/s2)
|
Maximin base shear force
$V_{u}$ [kN]
|
Maximum story drift
$\delta_{u}$ [mm]
|
Damage degreea
[Failure type]
|
|
PD-
FR
|
200
|
257.1
|
64.6
|
Collapse
[Shear collapse]
|
|
PD-
CSSM-I
|
200
|
488.6
|
10.5
|
Light
[Flexural crack]
|
|
300
|
708.2
|
20.0
|
Small
[Flexural crack]
|
|
400
|
864.9
|
35.2
|
Moderate
[Flexural-shear crack]
|
a Earthquake damage degree was investigated based on the researches of JBDPA(2015)
and Maeda et al.(2004).
4.3.3 하중-변위 및 변위-시간이력 결과 분석
200 cm/s2 지진파에 대한 비내진상세 실험체(PD-FR)를 포함한 내부접합형 CSSM 보강실험체에 대한 200 cm/s2, 300 cm/s2 및 400 cm/s2 지진파의 대한 지진응답 하중-변위 곡선을 Fig. 11에 각각 나타내었다. 또한 Fig. 12에는 비내진상세 실험체를 포함한 내부접합형 CSSM 보강실험체에 대한 200 cm/s2, 300 cm/s2 및 400 cm/s2 지진파의 대한 지진응답 변위-시간이력 곡선을 각각 나타내었다. 한편, Table 5에는 비내진상세 실험체(PD-FR)와 내부접합형 CSSM 보강실험체에 대한 200 cm/s2, 300 cm/s2 및 400 cm/s2 지진파의 유사동적 실험결과 중 내진안전성 평가에 핵심사항인 입력지진에 대한 강도 및 변위에 대한 비율을 각각 산정하여 나타내었다.
Fig. 11, Fig. 12 및 Table 5에 나타낸 결과에 의하면, Hachinohe (EW) 200 cm/s2 지진파에서 전단파괴를 보여준 비내진상세 실험체(PD-FR) 대비 내부접합형 CSSM 시스템으로 보강한 실험체는 200 cm/s2 지진파에서 약 1.9배, 300 cm/s2 지진파에서 약 2.75배, 400 cm/s2지진파에서 약 3.36배 정도의 입력지진에 대한 최대내력이 증가하였다. 이러한 결과는 최종단계의 실험결과를 보여준 Fig. 7 ~ 10에도 잘 반영이 되어 있다. 한편, 지진파에 대한 변위는 200 cm/s2에서 0.16배 억제가 되었으며, 300 cm/s2 지진파에 대해서는 0.31배, 가장 규모가 큰 400 cm/s2 지진파에 대해서는 0.54배 억제를 보여주었다.
결과적으로 비내진상세를 가지는 PD-FR 실험체와 비교해서 동일한 200 cm/s2 지진파에서 CSSM시스템으로 내진보강한 실험체의 지진응답 내력은 1.9배 증가하였으며, 최대 지진응답 변위는 84% 억제되어 지진에너지 소산능력이
증대 되었다. 이는 본 연구에서 개발한 내부접합 CSSM 내진시스템의 내진안전성이 검증되었다고 사료된다.
Table 5 Comparisons of response maximum strength and story drift
|
Speci-
mens
|
EQ
levels
(cm/s2)
|
Response strength
|
Response story drift
|
|
$V_{u}$a
[kN]
|
$R_{s}$b
|
$\delta_{u}$c
[mm]
|
$R_{d}$d
|
|
PD-
FR
|
200
|
257.1
|
1.00
(257.1/257.1)
|
66.1
|
1.00
(66.1/66.1)
|
|
PD-
HSFEP
|
200
|
488.6
|
1.90
(488.6/257.1)
|
11.0
|
0.16
(11.0/66.1)
|
|
300
|
708.2
|
2.75
(708.2/257.1)
|
20.6
|
0.31
(20.6/66.1)
|
|
400
|
864.9
|
3.36
(864.9/257.1)
|
35.2
|
0.54
(35.2/66.1)
|
a Maximin response strength.
b Ratios of maximum response shear strength between the strengthened and control specimens in terms of earthquake levels.
c Response story driftt at maximum point.
d Ratios of response story drift between the strengthened and control specimens in terms ofearthquake levels.
Fig. 11 Comparison of response base shear force - story drift relations
Fig. 12 Comparison of response story drift - time history relations
5. 결 론
기존 내력증진형 내진보강법의 취약점을 개선 및 보완할 수 있는 새로운 개념의 내진보강법인 내부접합형 합성내진보강공법(CSSM)을 제안하였다. 내부접합형
CSSM 시스템의 내진안전성을 평가하기 위하여 내진상세를 가지지 않는 우리나라 R/C 건물을 이용하여 실물 2층 골조 실험체를 계획·제작하여 유사동적실험을
실시하여, 지진에 대한 최대하중 및 최대변위를 포함한 지진피해규모, 하중-변위, 변위-시간이력 곡선을 활용하여 내진성능을 조사하였다. 결과는 다음과
같다.
1. 무보강 유사동적 실험체는 Hachinohe (EW) 200 cm/s2 지진파에 대해서 3.46초에서 지진에 대한 최대변위 66.1 mm (내력: 257.1 kN)를 나타내었으며, 파괴양상은 전단이었다. 이는 대상건물이
내진상세를 가지지 않는 R/C 건축물(학교)로서 200 cm/s2의 지진동에서 심각한 지진피해가 나타날 가능성이 매우 높다는 결과를 보여주며, 내진설계가 이루어지지 않은 R/C 건물의 내진안전성 확보, 즉 내진보강이
절실히 필요하다는 중요한 자료라고 사료된다.
2. CSSM 시스템으로 보강한 유사동적 실험체에 대한 Hachinohe (EW) 200 cm/s2 지진파에서는 지진에 대한 최대변위가 10.5 mm(내력: 488.6 kN)이며, 경미한 휨균열이 관찰되었으며, 300 cm/s2 지진파에 대해서는 최대 지진응답변위가 20.4 mm(내력: 708.1 kN)이며, 소규모 휨균열을 보여주었다. 한편 2400년 재현주기인 400
cm/s2 지진파에 대해서는 최대 지진응답변위가 35.2 mm(내력: 864.9 kN)이며, 휨-전단균열이 관찰되었으나, 그 정도는 중규모 정도의 수준이었다.
3. CSSM 내진시스템은 Hachinohe (EW) 200 cm/s2지진파에서 전단파괴를 보여준 비내진상세 실험체(PD-FR) 대비 200 cm/s2 지진파에서 약 1.9배, 300 cm/s2 지진파에서 약 2.75배, 400 cm/s2지진파에서 약 3.36배 정도의 입력지진에 대한 최대내력이 증가되었다는 사실을 고려한다면 내력증가형 내진보강법이라고 판단한다. 한편 CSSM 공법으로
보강한 실험체는 비교용 실험체와 비교해서 동일한 지진파, 즉 200 cm/s2에 대해서 지진에 대한 변위는 84 %정도로 억제되어 지진에너지 소산능력이 증대 되었다. 이는 본 연구에서 개발한 내부접합 CSSM 내진시스템의 내진안전성이
검증되었다고 사료된다.
4. 본 연구에서 제안한 내부접합형 CSSM 내진보강시스템은 콘크리트와 강관의 장점을 최대로 활용한 공법으로서, 기존 R/C 골조와 보강재 접합부의
시공성 및 일체성을 혁신적으로 향상시켰다. 또한 본 공법은 필요 내진보강량 산정이 간편한 강도증진형 내진보강법의 일종으로서, 전단파괴가 지배적인 우리나라
내진상세를 가지지 않는 기존 R/C 건물에는 내력증가가 효율적으로 가능한 내진시스템 공법이라고 사료되며, 개발 공법의 내진안전성이 유사동적실험에 의해서
입증되었다고 판단한다.
5. 향후 내부접합형 CSSM 시스템의 상용화를 위해서 유사동적실험 결과를 바탕으로 비선형동적해석을 위한 복원력 특성을 제안함과 동시에 우리나라 기존
비내진상세를 가지는 R/C 건축물을 대상으로 비선형동적해석을 실시하여 CSSM 시스템 보강 전과 보강후의 내진안전성을 평가하여 개발 공법의 실용성을
조사할 필요성이 있다고 판단한다.
감사의 글
본 연구는 한국연구재단(과제번호: 2021R1A2C2094779)연구비 지원으로 수행된 연구임.
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